JP2013505393A - スクリュースピンドル機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

耐磨耗層（１６）が形成された鋳鉄製管状ケーシング（１０）を有するスクリュースピンドル機において、前記耐磨耗層（１６）は、当該耐磨耗層の外周形状に応じた鋼鉄製シェル（２０）のカプセルに包まれていることを特徴とするスクリュースピンドル機。

Description

本発明は、スクリュースピンドルポンプやスクリュースピンドルコンプレッサなどのスクリュースピンドル機であって、内部が耐磨耗層で覆われた鋳鉄製管状ケースを有するスクリュースピンドル機及びその製造方法に関する。

国際公開ＷＯ２００９／０１２８３７には、３つのオーバーラップする円形とされた内壁断面を有するスクリュースピンドルポンプが開示されている。すなわち、ケーシングの内壁は、互いに並行とされた３つの筒状チャンバを構成している。中央のチャンバは他の外側のチャンバよりやや大径とされて主たるスピンドルを構成し、これにより２つの外側のチャンバのそれぞれは、噛み合うとともに主スピンドルと水密に接続された副スピンドルを構成する。

チャンバの内壁表面は、電気伝導性を有する炭化珪素ＳｉＣの耐磨耗層で覆われ、これにより主スピンドル及び副スピンドルによる磨耗が低減する。その製造過程において、炭化珪素ＳｉＣ層の内壁表面は電気浸食により加工され、必要に応じて機械仕上げにより後研磨される。

本発明は、容易且つ廉価に製造可能で、所望の寸法のケーシングに対して耐内部圧力が大きいスクリュースピンドル機を提供することを目的とする。

本発明によれば、耐磨耗層の外周に応じた鋼鉄製シェルのカプセルにより当該耐磨耗層を包むことにより上記目的を達成する。

前記シェルの鋼鉄材料は耐磨耗層を構成する材料に比べて著しく大きい引っ張り強度を有するため、当該耐磨耗層は鋼鉄製シェルにより安定し、クラックが生じることなく大きい内部圧力に耐えることができる。

本発明の好ましい実施の形態は従属請求項に係る発明により導かれる。

前記鋼鉄製シェルに覆われた前記耐摩耗層は、ケーシングに挿入することで又は接着剤により当該ケーシングに設けることができる。接着剤層は必然的にある程度の弾性力を有するものの、鋼鉄製シェルにより、耐摩耗層が高い内部圧力によって引き伸ばされたりクラックが生じたりするのを防止することができる。

本発明は、スクリュースピンドル機の製造方法にも関する。本発明に係る製造方法では、壁面が耐摩耗層を構成する中空体を形成し、当該中空体の外周形状に応じた内周形状を有する別途の鋼鉄製シェルを当該中空体に収縮又は加圧フィットさせる。

この収縮フィット工程では、鋼鉄製シェルを加熱し、これにより鋼鉄の熱膨張による内部断面が増加し、その結果、シェルを中空体に容易に押し込むことができる。その後、鋼鉄を冷却するとシェルは中空体の外径に収縮し、これにより後者の中空体は堅固にシェル内に含まれることになる。熱収縮フィットにより円筒状本体に対して鋼鉄製チューブを設ける工法は公知である。しかしながら驚くべきことに、非円形の外周断面を有する中空体に対しても、耐摩耗層に損傷を与えることなく、この工法が適用できることが明らかになった。シェルの熱膨張及び熱収縮により当該シェルの断面形状も変化し、収縮によって中空体に不規則な歪が生じることは予想されるものの、それによっても鋼鉄の延性により、耐摩耗層が損傷を受けることなく鋼鉄製シェルに堅固に被覆させ得ることが見出された。

加圧フィット工程では、ある程度の大きな寸法に形成された鋼鉄製シェルを中空体に押し込み、次に外部から圧力を印加することで、中空体の周囲にシェルを緊密に倣わす。耐摩耗層は高耐圧であるため、張力が小さくても加圧フィット工程において高圧力を印加することができる。

本発明に係るスクリュースピンドル機のケーシングを示す断面図である。 鋼鉄製シェルを収縮フィットさせる状態のケーシングのインサート物を示す断面図である。

図１は、スクリュースピンドル機の鋳鉄製筒状ケーシング１０を示す。ケーシング１０の内部のキャビティの断面は、３つのオーバーラップする円形であって、各円形の中心が一直線上に並んだ形状とされている。これによりキャビティは、当該スクリュースピンドル機のメインスピンドル（不図示）に適合する中央の円筒状チャンバ１２を構成するとともに、中央のチャンバ１２によりやや小径であってスクリュースピンドル機（不図示）のサイドスピンドルに適合する両側の２つの円筒状チャンバ１４を構成する。サイドスピンドルはメインスピンドルと水密に噛み合わされ、これにより、チャンバ１２，１４の壁面とともに、各中心軸に対してスピンドルが回転した場合に、ケーシング１０の軸方向に動く幾つかの水密な閉空間を構成する。そして、３つのスピンドルの外周面は、チャンバ１２，１４の内周面と摩擦接合されている。この摩擦による摩耗を低減するために、ケーシング１０の内面はセラミック材層１６により構成されている。本例のセラミック材は炭化珪素ＳｉＯであり、適宜の添加剤により電気伝導性が付与されている。層１６は、別途のインサート物として製造された中空体であって、接着剤１８などの手段によりケーシング１０に固定されている。

チャンバ１２，１４の内部の流体に高圧が印加されると、層１６の内面には径方向に広がる力が作用する。層１６の比較的脆い材料は張力が小さく接着剤１８は必然的にある弾性力を有するので、層１６が膨張してケーシング１０の内部で裂開することがある。その結果、仮に対策がなくても、スクリュースピンドル機は全体として最大限の流体圧に耐えることができる。

この理由により、ここで提案する本例のスクリュースピンドル機において、耐摩耗層１６は、収縮フィットされることで鋼鉄製シェル２０のカプセルに包まれている。シェル２０は、鋼鉄製チューブにより構成され、層１６の外形断面に応じた寸法及び断面形状とされている。好ましくは、シェル２０は層１６の全ての外周面に堅固に接合される寸法とされ、好ましくは、スクリュースピンドル機の操作中の熱によって材料が膨張した場合でも層１６がシェル２０内に堅固に覆われ続けるように、少なくとも室温において僅かな引っ張り張力を受けやすい。

スクリュースピンドル機の製造方法の決定的な工程は図２に示されている。

ここで、層１６は別途の中空体として形成されているが、チャンバ１２，１４は最終的な内部形状とはされていない。その代わりに、チャンバ１４はランド２２によってチャンバ１２と分離され、チャンバ１２はランド２４によって２つの部分的チャンバに分割されている。

国際公開ＷＯ２００９／０１２８３７Ａ１にて開示されているように、層１６は最初きわめて大きい厚みを有し、比較的不規則な内面を有する。その後の工程において、内面は電食により浸食され、正確に所望の形状とされたチャンバ１２，１４及びランド２２，２４を得ることができる。この工程において、その後の工程においてランド２２，２４の除去を促進する裂開線２６を形成してもよい。

シェル２０は、最初は別途のチューブとして形成され、ここで例となる方法で加熱され、熱膨張する。そしてこれを、炭化珪素ＳｉＯにより形成された中空体に対して軸方向に押し込む。この状態を図２に示す。この断面形状を長くしたシェル２０は、断面における長径方向（図２において水平方向）の膨張量はこれに直交する方向の膨張量より大きいことが知見されている。その後、シェル２０を冷却すると、再収縮し、層１６の外周寸法より僅かに小さくなって、これにより層１６の外周面に堅固に接合され、層１６に対して内側に向かう力を印加する。一般的に、こうした力はケーシングの外周に対して不規則に分配されるが、鋼鉄の張力延性が、こうしたバラツキを許容限度内に維持することを保証する。また本例で示すように、ランド２２，２４は、シェル２０を層１６に収縮フィットされる際に加わる圧力に対して層１６を安定化させることができる。

そして、好ましくは層１６は、円筒状のグラインダ又はポリッシング工具を各チャンバ１４に挿入して回転させることにより仕上げ加工される。その後にランド２２，２４を除去し、必要に応じて、中央のチャンバ１２と裂開線２６の裂開表面を仕上げ加工する。

必要に応じて、層１５へのシェル２０の収縮フィット又は加圧フィットは、チャンバ１２，１４を最終形状及び最終面仕上げを行った後に実施してもよい。しかしながら、上述した工程によれば、シェル２０は、機械仕上げによる破裂から比較的脆い層１６を保護することができるという利点がある。

最後に、層１６がカプセル化されたシェル２０はケーシング１０に接着される。

Claims (9)

1. 耐磨耗層（１６）が形成された鋳鉄製管状ケーシング（１０）を有するスクリュースピンドル機において、
   前記耐磨耗層（１６）は、当該耐磨耗層の外周形状に応じた鋼鉄製シェル（２０）のカプセルに包まれていることを特徴とするスクリュースピンドル機。
2. 前記シェル（２０）のカプセルに包まれた前記耐磨耗層（１６）は、接着剤により前記ケーシング（１０）内に固定されている請求項１に記載のスクリュースピンドル機。
3. 前記耐磨耗層（１６）は、主として炭化珪素ＳｉＣにより構成されている請求項１又は２に記載のスクリュースピンドル機。
4. 前記耐磨耗層（１６）は、当該耐磨耗層の電気伝導度を増加させる添加剤を含む請求項３に記載のスクリュースピンドル機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリュースピンドル機の製造方法であって、
   壁面が耐磨耗層（１６）で形成された中空体を形成する工程と、
   前記耐磨耗層（１６）の外周形状に応じた断面形状を有する鋼鉄シェル（２０）を形成する工程と、
   前記シェル（２０）を加熱する工程と、
   前記シェル（２０）を前記耐磨耗層（１６）に押し込む工程と、
   前記シェル（２０）を冷却して前記耐磨耗層（１６）に収縮フィットさせる工程と、
   前記シェル（２０）にて覆われた前記耐磨耗層（１６）を鋳鉄製筒状ケーシング（１０）に挿入する工程と、を備えるスクリュースピンドル機の製造方法。
6. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のスクリュースピンドル機の製造方法であって、
   壁面が耐磨耗層（１６）で形成された中空体を形成する工程と、
   前記耐磨耗層（１６）の外周形状に応じた断面形状を有する鋼鉄シェル（２０）を形成する工程と、
   前記シェル（２０）を前記耐磨耗層（１６）に押し込む工程と、
   前記シェル（２０）を前記耐磨耗層（１６）に加圧フィットさせる工程と、
   前記シェル（２０）にて覆われた前記耐磨耗層（１６）を鋳鉄製筒状ケーシング（１０）に挿入する工程と、を備えるスクリュースピンドル機の製造方法。
7. 前記シェル（２０）は、接着剤により前記ケーシング（１０）に固定される請求項５又は６に記載のスクリュースピンドル機の製造方法。
8. 前記耐磨耗層（１６）の内側表面は、前記シェル（２０）をフィットさせたのちに浸食加工される請求項５〜７のいずれか一項に記載のスクリュースピンドル機の製造方法。
9. 前記耐磨耗層（１６）の内側表面は、前記シェル（２０）をフィットさせたのちに機械仕上げ加工が施される請求項５〜８のいずれか一項に記載のスクリュースピンドル機の製造方法。

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